土石堤壩滲漏病險探測模式和方法研究進展

蘇懷智，周仁練

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

水庫大壩和堤防工程，即堤壩工程，作為防洪體系的重要組成部分，是人民生活和社會生產的重要保障。截至2018年底，全國已建成各類水庫大壩98 822座，5級及以上江河堤防總里程長達31.2萬km[1]，其中絕大部分為土石材質[2]。我國現役水庫大壩大部分建于20世紀50—70年代，受建設時期社會經濟和技術水平的限制以及后期運管維護情況的綜合影響，大量水庫大壩在滲漏、抗震、防洪等方面存在安全隱患[3-4]，土石壩滲漏問題尤為突出[5]。全國已開展兩輪病險水庫除險加固工作，一定程度上改善了水庫大壩病險狀態，但仍有大量中小型病險水庫大壩尚未得到處置或處置不徹底[4]。此外，隨著服役時間的推移，許多水庫大壩還將出現新的滲漏病險。

我國江河大湖的堤防多建于沖積平原上，堤基表面的弱透水覆蓋層較薄，下層則是較厚的強透水粉細砂或砂礫石層，極易產生滲漏，并在嚴重時發生管涌。另一方面，我國不少堤防修筑年代久遠，堤身多經歷朝歷代填筑而成，且填料普遍就地取材，在堤后形成了大量覆蓋層薄弱的坑塘[6-7]，成為管涌隱患。堤身填筑不均，裂縫、洞穴、松散體等滲漏病害的廣泛存在[8]，使得每臨汛期高水位，極易發生滲漏險情，結構性出險形式主要有管涌、漏洞、散浸、滑坡、崩岸和塌陷等。比如2020年汛期，全國范圍內多處堤壩出現重大險情，僅長江中下游堤防就出險多達4 335處[9]。

土石堤壩滲漏病險如果不能被及時發現，并得到有效處置，極有可能導致潰壩或潰堤。1954—2018年，全國累計潰決水庫大壩3 541座，其中土石壩3 292座；2000—2018年共計潰壩76座，其中土石壩74座[6]。由于我國人口眾多，相當數量的水庫大壩下游就是密集的居民區，即使是小型水庫潰壩，也可能威脅成百上千人的生命安全，導致難以估量的經濟損失和生態破壞。隨著社會經濟的日益發展，潰壩造成的綜合損失和嚴重的社會影響越發難以接受。表1統計了多起土石壩潰壩事故，可見滲漏是威脅土石堤壩安全的大敵，需十分重視。

表1 我國典型土石壩潰壩事故

1 土石堤壩滲漏病險探測模式

土石堤壩的滲漏具有隱蔽性、時空隨機性以及初始量級細微等特征，從滲漏險情發生到堤壩嚴重破壞的時間很短[10]，及時發現、準確定位和合理處置滲漏隱患是保障土石堤壩安全的關鍵[11-13]。國內外通過研究滲漏病害部位的物理量的特征和變化規律，形成了多種滲漏檢測手段，利用的物理量包括電、電磁、振動波、水流、熱、聲、光等。

a.電和電磁。堤壩材料的導電性與壩體介質類型、孔隙率、含水率等有關。堤壩存在缺陷或發生滲漏的區域，其電導率將發生改變。電法和電磁法通過探測堤壩中電性參數異常，從而實現堤壩內部缺陷和滲漏的間接診斷。在這方面形成了直流電阻率法、自然電場法、瞬變電磁法和地質雷達法等探測技術。

b.振動波。堤壩存在缺陷或發生滲漏部位的密實度和彈性模量與正常區域不同。振動波的傳播對介質密實度較為敏感，當振動波在這些部位傳播時，波速、波形將發生改變。依據堤壩隱患與背景場的波速及波阻抗差異，可利用縱波、橫波及面波進行分析。目前應用的振動波法探測技術主要包括地震反射波法、地震折射波法、地震映像法和瑞利面波法。

c.水流。水流是滲漏的物理實體。傳統采用測壓管和滲壓計測量滲透壓力，或采用量水堰測量滲漏量來監測堤壩滲漏。放射性同位素示蹤技術將水流作為運載體，可用于調查地下水的補給關系、尋找滲漏入口、測定流速和流向。流場擬合法利用電流場來擬合滲流場，根據滲流場的分布快速尋找堤壩滲漏入口。

d.熱。無滲流土體內部的溫度場由熱傳導主導。當滲流存在時，土體內的熱傳導強度將因水體的遷移而改變。研究表明，當土體滲透系數大于10-6m/s時，水體遷移引起的平流熱傳遞將超越熱傳導，即使少量的水體遷移也將迫使土體溫度與水溫相適應，從而引起原溫度場的局部不規則變化[7]。因此，可通過溫度變化來分析土石堤壩滲漏情況，近年來發展了分布式光纖監測技術以及紅外熱成像技術用于辨識土石堤壩滲漏。

e.聲。滲漏過程伴隨的水體流動、水土摩擦以及土體發生滲透破壞等環節都會產生聲發射現象?？赏ㄟ^聲發射監測來判斷滲漏發生、計算相對流量以及定位滲漏位置。

f.光。通過人眼直接觀察或分析可見光圖像發現堤壩滲漏。

2 土石堤壩滲漏病險探測技術研究進展

2.1 基于電的探測技術

2.1.1直流電阻率法

直流電阻率法通過人工對堤壩施加電場，采集視電阻率，根據視電阻率差異來分析堤壩構造及含水情況。通常洞穴、裂縫和松散體等病害表現為高阻異常，發生滲漏的區域則表現為低阻異?！，F場操作時，傳統常采用對稱四極剖面法和對稱四極電測深法[8]。如圖1所示，對稱四極剖面法的供電電極A、B以及測量電極C、D之間間距固定，勘測時4個電極同時向同一方向移動，從而獲得測線內壩體的視電阻率；對稱四極電測深法的測量電極C、D位置固定，供電電極A、B向反方向等距移動，以測量壩體不同深度的視電阻率。

圖1 對稱四極剖面法和對稱四極電測深法示意圖

高密度直流電阻率法，也稱高密度電法，在兩供電電極之間加密布置多個測量電極，將傳統剖面法和測深法的原理與陣列思想相結合，探測系統具有較高的分辨率，能較精細地反映堤壩三維電性分布規律。

高密度電法的探測結果是視電阻率，而堤壩滲漏病險分析需要含水率、孔隙率等土性參數，因此需開展電阻率數據解算。反演是視電阻率數據解算與定量解釋的重要手段，而正演是反演的核心，目前正演求解主要采用積分法、有限單元法以及有限差分法等數值方法。在求解大型稀疏矩陣問題上，簡化邊界條件[12]、共軛梯度的有限差分格式[13]等策略的提出，顯著提高了正演求解的效率和精度。在反演方面，Sasaki[14]提出的基于圓滑約束的最小二乘反演法奠定了高密度電法反演計算的基礎。Loke等[15]基于Sasaki的研究提出了基于擬牛頓最優化非線性最小二乘反演算法，計算效率得到顯著提升，以該算法為核心推出的商用軟件沿用至今。Liu等[16]利用不等式約束，在保證精度前提下，提高了三維高密度電法的反演效率。Loke等[17]基于工程應用實例，提出Sherman-Morrison對稱優化陣列布置，提高了高密度電法在大規模探測中的計算效率。趙濤等[18]將遺傳算法與BP神經網絡相結合，提高了高密度電法的二維非線性反演效率和精度。

高密度電法是目前基于電的探測技術中應用最廣的勘探技術，其局限性在于探測前需安裝大量電極，限制了作業效率，并且供電電極間距必須大于測深的2倍，探測范圍(剖面圖形狀)為倒梯形，難以對壩肩以下壩體進行探測。此外，高密度電法的探測結果易受大地自然電流和地下良導體的干擾，數據整理和解釋工作較復雜。

2.1.2自然電場法

在無需人工對地通電情況下，土石堤壩中就自然存在著電場。自然電場的形成機理主要有3類：①溶液和介質接觸面上的氧化還原反應；②溶液的離子在空隙或滲流通道交界面上的擴散和土體骨架對離子的吸附作用；③水體的滲流和土體的過濾作用[19]。自然電場的形成由均勻滲流和集中滲流產生的過濾電場起主導作用[20]。

自然電場法最早見于1969年，Ogilvy等[21]將其用于堤壩滲漏探測。我國在20世紀80年代開始利用該技術探測土石堤壩滲漏?，F場操作只需用到普通電測儀，采用非極化的電極測量電位差，根據測網繪制等電勢圖，電位低處即為滲漏嚴重處。該方法操作簡單，成本較低，測深可達20～30 m，可以確定滲漏源的幾何形狀。相對于常規的人工電場法常常僅用于單次檢測，自然電場法利用天然場源可實現野外長時間多次作業，目前還常作為綜合物探法之一被應用在堤壩滲漏探測中[22]。該方法的局限性在于，當水中可溶性鹽含量較大，水的電阻率低于10 Ω·cm時，所有測點獲得的電阻率將很接近，該方法將無法探測。

2.2 基于電磁的探測技術

2.2.1瞬變電磁法

瞬變電磁法(transient electromagnetic method，TEM)即時間域瞬變電磁測深法，其基本工作原理為電磁感應。如圖2所示，TEM利用不接地的發射線圈向地下發射一次脈沖磁場，通過觀測分析脈沖電流斷電瞬間感應渦流產生的二次磁場情況來分析地下構造。通常含水率越大，產生的渦流場越強，二次磁場也就越強。瞬變電磁系統一般由發射機、發射線圈、接收線圈、接收機和數據采集系統組成。

圖2 瞬變電磁法的工作原理

瞬變電磁系統所采集的數據為視電阻率或導電率等物探參數，與高密度電法探測結果解譯類似，同樣需要將其轉化為含水率、孔隙率等土性參數。受計算機條件和數據解譯技術的制約，在過去數十年中，瞬變電磁數據解譯主要停留在視電阻率成像和一維反演階段[23]。為提高瞬變電磁法應用于復雜地下結構和起伏地形時的解譯準確性，三維數值計算得到快速發展。三維問題正演主要采用有限單元法、有限差分法以及積分方程法等數值方法。前兩種方法離散化整個計算域，占用計算機內存較大。積分方程法只對感興趣區域進行離散，具有存貯量小的優點，但方程求解通常較困難，僅適用于模擬簡單模型[24]。正演問題求解有兩種策略，一是直接在時間域中求解，二是先采用數值方法在頻域或拉普拉斯域求解，再通過逆變換將求解結果轉換到時間域分析。數值求解方法有顯式和隱式兩種。顯式求解的數學概念簡單明確，但需滿足穩定性條件，因而嚴格限制了時間步長和單元大小。隨著近年來計算機性能的快速提升，大型線性方程組求解效率大幅提高，無需滿足穩定性條件的隱式求解方法逐漸體現出優勢。目前三維電磁反演算法主要有非線性共軛梯度法、高斯牛頓法和擬牛頓法。三維模擬計算的發展在提高瞬變電磁數據解譯效率和可靠性的同時，也為改進探測作業模式、提高探測效率提供了有益參考。

房純綱等[25-26]在瞬變電磁儀的研發和工程應用方面做了大量工作，對瞬變電磁法在土石堤壩滲漏病險排查中的應用起到了推動作用。TEM探測深度大、不受地形和接地電阻影響，作業效率高，其局限性在于存在淺部探測盲區，并且探測結果易受堤壩內鹽和金屬以及環境電磁的干擾。

2.2.2地質雷達法

地質雷達(ground penetrating radar，GPR)法屬于反射波探測法，其基于高頻電磁波理論，由發射天線向地下發射寬頻帶、短脈沖的電磁波，發射的電磁波經地下傳播后返回地表為接收天線所接收，通過分析攜帶介質地電信息的回波信號實現對壩體構造情況的解析[27]。GPR對空洞、破碎、松散、脫空、富含水體等滲漏隱患均有較強捕捉能力，作業速度快、分辨率高，在堤壩淺部隱患探測中應用較多[28]。

電磁波在土層和砂層中衰減嚴重，導致地質雷達法存在探測深度較小的局限性[29]。收發天線系統的頻率越低，探測深度越深，但分辨率越低；頻率越高，衰減越嚴重，探測深度越淺，但對目標的分辨能力越高。

系統增益系數是衡量GPR探測能力的基本指標。目前瑞典MALA、美國GSSI、加拿大SSI和英國Groundvue等產品是GPR市場的主導，最大系統增益系數達到200 dB左右，收發天線頻率范圍在0.5 Hz～1 GHz。近20年來，國內GPR也得到長足發展，GER、LTD和CAS等國產雷達的性能也十分優良。

2.3 基于振動波的探測技術

振動波法探測技術通過在地面激發震源來制造彈性波，并利用檢波器接收，通過分析接收波的特征實現地下隱患探測[30]。

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技術而發展起來的一種探測方法，又稱地震多波勘探或高密度地震勘探。該方法可利用一種或多種波作為有效波進行分析，每一測點的波形記錄都采用相同的偏移距激發和接收，在該偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，能夠反映堤壩內部垂直方向和水平方向的構造分布情況。

瑞利面波是由體波與地表界面相互作用而產生的一種面波，對介質密實度相當敏感。瑞利面波法根據速度和頻散曲線來分析堤壩隱患分布，探測深度較大，但具有一定的淺部盲區。

振動波屬于彈性波，其波長較長、頻率較小，這些特點限制了其分辨率，因而基于振動波的探測技術對具有一定規模且埋深較大的隱患探測效果較好，但難以探測尺寸較小的隱患，多用于堤防質量評價和軟弱層探測。

2.4 基于水流的檢測技術

2.4.1傳統滲漏監測方法

傳統滲漏監測技術直接以滲漏水為量測對象，包括利用測壓管和滲壓計測量滲透壓力、采用量水堰測量滲漏量，具有成本低、設備簡單、監測結果易于解釋等優點，目前仍是壩工滲流監測的主要手段。然而，這種技術屬于點式監測，通常僅布設在少數關鍵斷面[31]，易遺漏險情。

2.4.2同位素示蹤技術

示蹤技術主要包括天然示蹤法和人工示蹤法。水中的穩定同位素(D、18O和3H等)可作為天然示蹤劑。在適當情況下，一些進入水中的物質也可作為天然示蹤劑，如工農業廢水、懸浮的沉積物、溶質等。人工示蹤劑通常有染色示蹤劑、鹽類和放射性同位素。

天然示蹤通常用于確定水庫下游滲水和壩肩地下水的補給源及補給路徑，從而分析可能的集中滲漏通道。人工示蹤還可測定滲流流速和流向。峰值法和累計法常用于測量垂向流速，水平流速和流向常采用示蹤稀釋法測定。示蹤稀釋法于1916年由Kocherin提出，經Moser和Drost等逐步完善[32-33]。我國在20世紀80年代引進放射性同位素示蹤技術，并在同位素示蹤儀器設備研制和分析方法上取得了較大進展。作業時通常將提前注入示蹤劑的濾水管放入檢測通道，根據滲透流速與示蹤劑稀釋速率之間的關系計算滲透流速，由流速的分布推定滲流場[34]。該技術成功應用于諸多水庫大壩滲漏通道調查，取得了顯著效益。

投放示蹤劑通常需要鉆孔，但某些區域鉆孔作業受限。而且示蹤劑投放后，需要經過較長時間觀測，故該方法主要用于探測水庫滲漏，不太適合堤防管涌滲漏的探測。

2.4.3流場擬合法

電流場與滲流場在一定條件下具有相似性。流場擬合法通過電流場來擬合滲流場，通過電流場的分布推算滲流場的流向和相對流速。

巴甫洛夫斯基早在1918年就用電流場比擬水流場，首創了水電比擬試驗[7]。2000年，我國何繼善院士提出了流場擬合法[35]，并成功研制出管涌探測儀，該設備的核心部件包括向水中發送特殊波形編碼電流場的發送機、船載接收機和置于水中測量電流密度的接收探頭。該方法的可靠性和檢測速度均較高，大量應用于水庫滲漏和堤防管涌險情探測中[33]。戴前偉等[36]在流場法基礎上提出了矢量流場法，為分析土石壩滲漏入口、滲流方向及滲漏等級提供了新思路。

流場擬合法能快速查明滲漏入口，尤其適用于汛期堤壩管涌等集中滲漏通道入口的查找。其局限性在于只能找到滲漏入口，不能反映滲漏在堤壩內部的具體分布情況。

2.5 基于溫度的檢測技術

20世紀60年代，德國開始嘗試通過溫度變化來分析土石堤壩的滲流場[37]。20世紀70年代，歐美一些國家采用離散點溫度值來研究大壩滲漏通道。20世紀80年代，利用溫度變化間接分析堤壩滲流性態的思路被引入國內，在丹江口水庫開展了探索性工作[38]，通過研究壩基范圍的溫度場和滲流場，驗證了從溫度場角度分析壩基滲流場的可行性。陳建生等[39]基于熱源法推導并建立了帶有滲流項的土石堤壩傳熱方程。實際操作時通過鉆孔得到地層中一些離散點的溫度值，從而計算地下集中滲流參數。此外，應用該技術，成功探測出了北江大堤石角段管涌通道[40]。近年來，國內外許多工程實例均證實了溫度監測資料對堤壩滲流分析的重要意義[41-42]。針對傳統點式測溫漏檢情況，近些年發展起來的分布式光纖監測技術和紅外熱成像技術較好地彌補了該缺陷。

2.5.1分布式光纖監測技術

分布式光纖測溫系統(distributed temperature sensing，DTS)以溫度為感測對象、以光纖為媒介、以光信號為載體，能實時測讀光纖沿程任一位置的溫度。通過優化布設光纖傳感網絡，可實現分布式監測。該方法對長條狀走勢的堤壩工程具有很好的適應性。

光纖測溫技術的基本原理在于光纖內傳輸的光在沿程各點存在依賴于溫度的后向散射，利用散射延遲時間和光纖內的光速可計算不同散射點的位置，因而可以得到光纖沿程上連續的溫度分布。分布式光纖測溫方式有梯度法和加熱法兩種。梯度法直接感測堤壩內部的溫度場，該方法有效的前提是河內水溫與測點位置的溫度存在一定差異。為滿足這一前提，光纖埋設位置通常與河水保持一定距離。加熱法通過電脈沖對光纖金屬套或特種光纖加熱，使光纖周圍土體溫度升高，由于存在滲漏的位置溫升速率更小，從而實現堤壩內部滲漏的識別和定位。

利用分布式光纖長期監測土石堤壩滲漏的構想于20世紀90年代被Aufleger等提出[43]。隨著DTS的問世，英國York sensors limited公司率先將DTS商品化[44-45]。此后，通過光纖測溫來研究堤壩滲流這一課題得到了大量關注。Markus等[46-47]開展了梯度法和加熱法試驗，分析了堤壩溫度場、土體飽和度、滲流流速等參量之間的關系，較全面地介紹了分布式光纖在水利工程中的應用。Amir等[48-49]利用分布式光纖溫度監測數據，提出了數據奇異值分解法、多元濾波法、盲源分離技術等多種數據分析方法，設計了基于分布式光纖監測的堤壩滲流數據自動處理、分析及預警系統。Cyril等[50]考慮地表微氣候影響，開展了大尺度試驗來檢驗加熱法和梯度法，重點研究了溫度數據與滲流流速間的關系。Sayde等[51-52]采用加熱法對土體含水率分布情況進行評估，通過大量試驗研究了土體熱傳導系數同含水率之間的函數關系。肖衡林等[53-54]分析了加熱光纖與滲流水體的傳熱過程，從理論層面推導了滲流流速與過余溫度、施加的電壓和電流、介質的導熱系數、鎧裝光纖直徑和長度、土體孔隙率等之間的關系。王宏飛[55]和吳善荀[56]以西龍池水電站為工程依托，以無滲流段光纖的溫升為基數，以滲流段和無滲流段光纖測溫結果之差與該基數的比值為相對溫差比，發現了相對溫差比與滲流流速呈二次方關系。崔書生[57]開展了模型試驗研究，根據不同加熱功率下光纖的溫升曲線，引入名義導熱系數獲得了分布式光纖滲流流速監測實用模型?？禈I淵[58]通過研究土石結合部的集中滲流，獲得了滲流量和光纖溫度的對應關系。

由于分布式光纖監測技術需要預埋光纖，現有研究多以模型試驗和理論研究為主，在實際堤壩工程中應用較少，眾多研究提出的理論和分析方法的工程應用效果尚不明朗。

2.5.2紅外熱成像技術

紅外熱成像(infrared thermography，IRT)[59]技術通過感測堤壩表面的紅外熱輻射溫度異常達到發現滲漏的目的。IRT主要有主動和被動兩類，其中主動IRT需要對被檢對象施加外部熱源激勵，而被動IRT在自然條件下成像[60]。對實際大體積長距離的堤壩工程施加人工熱激勵是相當困難且不可取的，故在土石堤壩滲漏感測中主要利用被動IRT。被動IRT借助紅外傳感器被動感測堤壩表面的輻射場，通過定量換算得到溫度場，將該溫度場按一一對應的關系映射到顏色空間便可獲得形象直觀的紅外熱圖像。相比于傳統點狀或線狀測溫技術，IRT獲取的溫度結果是矩陣平面，因而具有其他測溫手段所不具備的數字圖像學分析價值。

1997年，Inagaki等[61]開展了不同水溫條件下砂漿試件集中滲漏和隨機滲漏的室內試驗，驗證了水體加熱條件下IRT感測滲漏的可行性。彭波等[62]開展了多種水頭作用下均質土壩集中滲漏熱成像室內試驗，驗證了熱源激勵條件下應用IRT感測土石堤壩滲漏的可行性，該試驗條件與在機械設備檢測領域中應用較多的主動IRT技術類似。Bukowska-Belniak等[63]通過帳篷內的土壩模型試驗驗證了常溫條件下IRT感測土石壩滲漏的可行性。Chen等[64]在臺灣藍道溪上開展了土壩潰壩過程的IRT監測試驗，指出輻射溫度變化較大的壩面可作為土石壩的潛在破壞區。王玉磊等[65]報道了借助無人機搭載紅外熱像儀檢測到某小型土壩的早期非穩定滲漏。

上述研究在推動IRT應用于土石堤壩滲漏檢測的同時，仍存在一些不足。已有研究很少關注紅外熱圖像的形態學特性和紋理特征，對熱圖像的“圖像”屬性利用不足，可考慮將計算機視覺和深度學習算法引入該領域，以實現基于紅外圖像的滲漏自動辨識。此外，已有試驗多在室內開展，通過人為擴大水體與堤壩表面之間的溫差來達到理想的成像效果。如何剔除或利用堤壩表面微氣候的不規則影響；如何在復雜地面(如雜草覆蓋、起伏不平、動物活動、積水等)條件下識別和提取滲漏目標；在雨天、霧天等特殊天氣條件下的應用效果怎樣及如何提升感測效果等，均是值得研究的課題。

目前紅外熱成像儀以美國菲利爾和福祿克以及德國德圖為主導品牌[61]，國內的高德紅外、?？低暤绕放圃诮鼛啄暌驳玫斤w躍式發展。熱靈敏度和紅外分辨率是紅外熱像儀最核心的兩個指標。商業化的非制冷焦平面紅外熱像儀的熱靈敏度目前可達到20 mK，紅外圖像分辨率可達到1 024×768。

IRT作為一種非接觸式感測手段，具有形象直觀、機動性強、覆蓋面廣、作業效率高等優點，可在無光照的夜間正常作業，尤其適合土石堤壩汛期應急巡查，但也存在以下局限性：溫差是基于IRT識別堤壩滲漏的前提，溫差越大，滲漏導致的局部溫度變化就越大，感測效果越好；作為一種表面感測技術，它不具備探測堤壩內部的能力，只有當滲漏影響到達堤壩表面時該技術才有效；目前紅外熱像儀的圖像分辨率較低，圖像細節信息較少，復雜地面條件下對感測結果的解釋很困難，通常需要借助可見光圖像或其他檢測手段進行聯合解譯。

2.6 基于聲的監測方法

滲漏過程中，水體流動、水土摩擦以及土體滲透破壞都會產生彈性聲波。利用聲發射監測系統對聲發射信號進行捕捉和分析，可以判斷滲漏發生、計算相對流量以及定位滲漏位置。徐炳鋒[66]從位錯和能量觀點推導了土體位錯點源和應變能改變量同聲發射參數的關系，并通過室內試驗[67]發現滲漏達到臨界坡降和破壞坡降時的聲發射信號突增，指出了聲發射技術可用于土體滲透變形監測。張寶森等[68]對柳園口閘下滲漏進行了聲發射監測，發現滲漏的發生與聲發射信號同步。明攀等[69-70]開展了堤基管涌連續破壞過程中的聲發射監測模型試驗，發現堤基管涌破壞過程的聲發射信號多為突發型信號，指出管涌過程的水力參數和聲發射參數具有一致的分布規律，并提出了適用于堤防管涌過程聲發射信號采集的系統參數設置[71]。

由于實際工程體型龐大，因滲漏產生的聲發射信號通常在傳播過程中衰減消失，并且堤壩服役環境中的本底噪聲較強，目前該技術主要停留在試驗研究階段。

2.7 土石堤壩滲漏病險探測技術比較

在土石堤壩工程滲漏隱患排查和病害檢測中，通常需結合工程實際選取適當的檢測方法開展綜合探測。表2[8,72]總結了土石堤壩滲漏病險探測技術方法及其特點。

表2 土石堤壩滲漏病險探測方法及其特點

3 土石堤壩滲漏病險探測技術發展趨勢及展望

我國堤防長度長、土石壩數量大，堤壩隱患病害多且空間分布廣，汛期滲漏險情多發。1998年洪水以來，土石堤壩滲漏病險探測技術取得了長足發展，形成了多種技術和裝備，其中高密度電法、地質雷達法、瞬變電磁法等地質物探類方法較為成熟，極大提升了我國土石堤壩滲漏病險檢測水平及處置能力。然而，目前土石堤壩安全保障在以下兩方面還比較薄弱。

3.1 汛期滲漏險情的快速巡查和高效處置

大部分現行探測技術的作業效率、覆蓋范圍和可靠性遠不能滿足汛期快速全面發現滲漏病險的需求，以至于目前汛期發現滲漏險情還是主要依賴于人工拉網式排查，亟須研發作業高效、覆蓋全面的土石堤壩滲漏險情快速巡查手段。

得益于近年來人工智能技術、通信技術的飛速發展，水利行業中已有水下機器人、無人船、機器狗和無人機等新興裝備出現，作業場景全面涉及了水下、水面、地面和空中。

水下機器人[73]通過搭載不同功能的作業模塊，可一定程度上替代人工潛水作業，在水下完成示蹤劑投放、圖像采集、地形勘測、滲漏入口查找和封堵等任務，不僅可避免人工潛水的危險，還對深水、激流、污水等惡劣環境具有較強的耐受能力。

無人船[74]可在汛期激流中行駛，通過搭載水下地形儀、管涌探測儀等裝備，能執行滲漏入口查找和水下地形測繪等任務，為滲漏封堵和水下邊坡變形分析及處置提供支持。

多足機器狗具備地面快速移動能力，通過搭載感測和探測設備，有望緩解當下人工巡堤的巨大資源消耗，實現近距離“看”、“觸”、“測”、“探”等現場巡查。

無人機[75]作為一種低空搭載平臺，可搭載雷達、高清可見光相機、紅外熱像儀、傾斜攝影相機、RTK、激光掃描儀等儀器設備，利用其靈活飛行的優勢，能快速感測土石堤壩及庫岸邊坡崩岸、塌坑、滑坡、管涌等險情，為防汛搶險提供及時全面的信息支持。

綜合利用水下機器人、水面無人船、地面機器狗和空中無人機等平臺搭載合適的巡測儀器設備對堤壩進行快速巡查具有較好的研究價值和應用潛力，目前尚處于應用研究的初期階段，裝備的作業范圍、適應性、可靠性和準確性等方面都還有很大的提升空間。以無人機平臺為例，目前出現的無人機大多是將其他領域的成品直接應用到土石堤壩上，大部分都還停留于拍攝可見光圖像層面。無人機裝備及其配套技術對堤壩滲漏巡測作業場景的適應性不佳，對作業目標的貼合性不強，并且無人機平臺的續航能力、搭載能力和抗風雨能力等都有待提升。因此，有必要針對土石堤壩“長條狀”的特征及其滲漏位置和滲漏規律等特性，綜合考慮地面條件、汛期天氣條件和作業目的等因素，研制土石堤壩快速巡查專用裝備。

此外，目前土石堤壩滲漏險情的發現、辨識和處置等環節聯系不夠緊密，尚未形成從險情巡查到應急處置的完整體系，極大限制了應急處置水平?？焖傺膊?精準定位-高效處置成套裝備體系的建設是值得攻關的方向，可考慮利用無人機、無人船、地面機器狗等快速巡查裝備發現堤壩滲漏，利用地質雷達、瞬變電磁儀等裝備開展滲漏通道的精準定位和內部詳查，以及利用先進封堵裝備在進口投放封堵材料或向堤壩內部注漿進而對滲漏進口和通道進行快速封堵。

3.2 滲漏自動化監測、預測和預警

現階段土石堤壩汛期滲漏險情的發現和處置是事后的，當發現滲漏險情時，滲漏已經在堤壩內部發育了相當長的時間，相當于臨近病變的“晚期”階段，以至于需要“搶險”，造成堤壩病險處置和風險控制處于相當被動的局面。

長遠來看，保障土石堤壩長效健康服役的關鍵應當是建立具有時空連續性的堤壩自動化監測系統和預警系統，從現階段少量次數的檢查轉變為全天候的實時監測；由堤壩表面檢測延伸到堤壩內部監測；由對單點、少數斷面、局部區域的監測轉變為分布式的、全覆蓋式的監測；由事后應急處置轉變為事前預測和預警。在這方面，分布式光纖溫度傳感監測方法具有較大的研究價值和應用潛力，優化光纖布設方式使其能應用到已建堤壩工程，提高光纖在實際工程中的存活率、空間分辨率、監測信息解譯效率和準確性，以及推進分布式光纖監測系統自動化和智能化建設等是值得努力的方向。